专利名称：40Gb/s光通信系统用的非线性啁啾光纤光栅制作方法
技术领域：
本技术属于光纤通信技术领域，尤其涉及光纤光栅制作领域。
背景技术：
一般补偿光纤色散可以用色散补偿光纤或色散补偿器件，如色散补偿光纤光栅、色散补偿标准具等来实现。这种色散补偿的实现方法是固定的，一旦系统设计好了，其色散的补偿量就不能改变了。而色散的积累是一个随时间变化的过程，系统会受到很多外界因素的影响，如温度变化、压力等，从而产生动态变化的色散，这就需要动态可调谐色散补偿装置对变化着的色散进行监测跟踪的方式进行补偿。其中，可调谐色散的实现方式是动态可调谐色散补偿装置的核心内容。有若干方式可以实现可调谐色散，如使用热效应在光纤光栅中产生动态变化的啁啾改变光纤光栅的色散、利用多个标准具产生的可变时延曲线进行线性叠加调整色散等。其中基于非线性啁啾的可调谐色散以其简单，有效而成为引人注目的方法之一。
非线性啁啾光纤光栅的时延曲线是非线性的，通过对光纤光栅的加热就可以实现光纤光栅时延的改变，其中当光纤光栅的时延与波长成二次曲线变化时，色散与波长成线性关系，其时延(group delay)和色散(dispersion)与光波波长(wavelength)的关系曲线如图1、2所示，此时光纤光栅的调谐控制能够更加简单。因此，设计不同的结构的非线性啁啾光纤光栅就可以实现对系统色散的更好补偿。由于要制作质量较高的非线性啁啾光纤光栅需要高质量非线性啁啾模板，而非线性啁啾模板需使用电子束曝光技术来制作，要得到高质量非线性啁啾模板相当困难，而且价格也相当昂贵。并且不同的非线性啁啾光纤光栅需要不同的非线性啁啾相位模板，这使得上述可调谐器件的设计和应用受到了一定的限制。
由于获得高质量的非线性啁啾模板的困难，因此出现了采用均匀相位模板和取样光纤光栅技术来获取非线性啁啾的方法。2004年姜典杰、陈向飞等人在“可调谐色散补偿器的设计与制作方法”中国发明专利(申请号200410000339.8)中提出了使用通过取样光栅的啁啾取样周期(CSP)来获得等效的啁啾光栅周期(CGP)以及采用精密机械装置实现调谐的方法。
该方法虽然实现了使用啁啾相位模板来设计和制作等效的非线性啁啾光纤光栅，但在具体设计时，只能够对光栅的群时延曲线进行控制，并不能够同时控制光栅的反射率曲线，这就降低了光栅的性能。另外它采用精密机械装置进行调谐，但精密机械装置价格昂贵，体积较大，这在一定程度上限制了这种可调谐色散补偿器的应用。
发明内容
本发明的目的是为了突破已有的技术，并且克服已有技术的不足之处，提出了一种全新的方法来设计并制作具有等效的非线性啁啾效应的特殊的取样光纤光栅，并采用新的方式对光栅进行调谐，从而实现可调谐色散补偿。该光纤光栅采用均匀模板设计，通过对光栅的重构、等效，实现对群时延曲线和反射率曲线的同时控制。然后将制作完成的光纤光栅表面进行均匀金属镀膜，利用电流通过金属镀层时产生的热效应实现光栅中心波长的移动，从而控制色散的补偿量。
我们采用取样光栅反射峰的-1级次的群时延谱用于色散补偿。
所设计光栅的反射特性如下反射率曲线R(λ)=e2exp[-(λ-λ0B/2)2m]---(1)]]>群时延曲线τ(λ)＝a(λ-λ0)2+b(λ-λ0)+c (2)式中的R(λ)为光栅的反射率；λ为光波波长；λ0为中心波长，取为1553.5mm；B为光栅反射谱的3dB带宽，取为2nm；τ(λ)为光栅的群时延；a、b、c为补偿器的设计调谐参数，取a＝-100ps/nm2，b＝-300ps/nm，c＝900ps；m为超高斯切趾系数，取m＝4。光栅的群时延与波长成二次曲线变化，而其色散与波长成线性关系，因此其调谐控制能够更加简单、稳定。另外，在光栅的设计过程中，同时考虑了其群时延特性和反射率特性，实现了对二者的共同控制，得到了比较平坦的反射带，因此可以获得较高性能的光栅。
利用光栅的交流折射率调制函数和反射特性之间的傅里叶变换关系，得到光栅的交流折射率调制函数Ac(z)=j2nΛ0π∫0lR(λ)exp[-jθ]·exp[j2σz]dσ---(3)]]>其中，θ=∫0λ2πλ02τ(λ′)dλ′,]]>σ=2nπλ-πΛ0,]]>Λ0＝λ0/2n，n为光栅的平均折射率。
将Ac(z)写为复指数函数的形式
Ac(z)＝A(z)exp[j(z)] (4)利用取样光栅实现上述折射率调制，其各个取样点的位置zk由方程(5)计算得出 式中P为采样参数，通常取P＝0.12mm；k表示取样光栅的第k个取样点，k＝1，2，3，...。
各取样点的曝光时间Tk由式(6)决定Tk=Tmax·A(zk)max{A(zk)}---(6)]]>其中Tmax为取样点的最大曝光时间，通常取Tmax＝100s；max{A(zk)}表示所有取样点zk的折射率调制A(zk)中的最大值。
本发明所描述的可调谐色散补偿器的设计方法，其特征在于它依次含有下述步骤(1)设计一个具有可调谐特性即反射率与波长成超高斯曲线变化、群时延与波长成二次曲线变化的非线性啁啾光栅，光栅的反射特性为R(λ)=e2exp[-(λ-λ0B/2)2m]]]>τ(λ)＝a(λ-λ0)2+b(λ-λ0)+c其中，R(λ)为光栅的反射率；λ为光波波长；λ0为中心波长，设定值；B为光栅反射谱的3dB带宽，单位为nm；τ(λ)为光栅的群时延，单位为ps；a，b，c为设计参数，设定值，a的单位为ps/nm2，b的单位为ps/nm，c的单位为ps。
(2)根据光栅的反射特性，利用光栅的重构原理得到光栅的折射率调制函数，光栅的折射率调制函数由下式计算得出Δn(z)=Ac(z)exp(-j2πzΛ0)]]>其中，z为光纤轴向长度；Δn(z)为光栅的折射率调制函数；Λ0为光栅的折射率调制周期，由光栅的中心波长决定Λ0＝λ0/2n，n为光栅的平均折射率，Ac(z)称为光栅的交流折射率调制函数，可以由下式计算得到
Ac(z)=j2nΛ0π∫0lR(λ)exp[-jθ]·exp[j2σz]dσ]]>其中，θ=∫0λ2πλ02τ(λ′)dλ′,]]>σ=2nπλ-πΛ0]]>将Ac(z)写为复指数形式，为Ac(z)＝A(z)exp[j(z)]其中，Ac(z)和A(z)、(z)均可根据步骤(1)中光栅的设计反射特性，利用计算机数值计算的方法得到。
(3)取样光栅的取样点位置zk由以下方程决定 式中P为采样参数，通常取P＝0.15mm；k表示取样光栅的第k个取样点，k＝1，2，3，...。，各取样点的曝光时间Tk由下式决定Tk=Tmax·A(zk)max{A(zk)}]]>其中Tmax为取样点的最大曝光时间，通常取Tmax＝100秒；max{A(zk)}表示所有取样点zk的折射率调制A(zk)中的最大值。
本发明的设计、制作光纤光栅的方法与“可调谐色散补偿器的设计与制作方法”专利的不同之处在于本发明通过对光栅的等效、重构，实现对光栅群时延曲线和反射率曲线的共同控制，从而得到具有理想反射特性的光纤光栅。另外在实现光纤光栅调谐的过程中，我们不是采用精密机械装置进行调谐，而是采用光栅表面均匀镀膜的方法，利用热效应对光栅的色散进行调节。这样的设计和制作方法不但能够简化光栅的制作过程，而且极大地降低了可调谐色散补偿器的成本，减小了其体积。
可调谐色散补偿器的制作，其特征在于它依次含有以下步骤(1)将普通光纤进行载氢处理并剥去一段涂覆层；(2)将上述光纤固定在均匀模板后，使之贴近；(3)调整激光器输出为50mW的光功率；
(4)调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤纤芯上；(5)打开微机的扫描移动平台和激光器控制程序，输入设定以下参数曝光点位置(由公式(5)给出) 曝光时间(由公式(6)给出)Tk=Tmax·A(zk)max{A(zk)}]]>(6)启动扫描平台，使其按照(5)中设定参数运行，使曝光后的光纤成为具有非线性啁啾特性的光纤光栅。
(7)将制作完成的光纤光栅放在除油碱液中，75℃下水浴加热30分钟，除油碱液由下列四种溶液按体积比1∶1∶1∶1配制而成氢氧化钠40g/L，硅酸钠40g/L，碳酸钠30g/L，磷酸钠30g/L(8)将清洗后的光纤光栅放在敏化液中浸泡10秒，然后转入活化液中浸泡10秒，再转入敏化液。如此反复4～5次，直到光纤光栅表面变为深褐色。敏化液和活化液的配制如下敏化液氯化亚锡，30g/L，20ml活化液氯化钯，0.1g/L，20ml(9)将光纤光栅放在镀镍溶液中，50℃下水浴加热2小时，使光纤光栅表面覆盖一层均匀金属镍镀层。镀镍溶液的配制如下硫酸镍30g/L，35ml焦磷酸钠90g/L，30ml次亚磷酸钠30g/L，25ml氨水40ml/L，5ml(10)将覆盖有均匀金属镀层的光纤光栅焊接到电极上并封装在金属套管中。
(11)将计算机的RS-232端口与单片机AT89C52的通信引脚相连，通过计算机控制单片机的数字信号输出，单片机输出二进制数字信号的范围为000000000000～111111111111。
(12)将单片机的数字信号输出引脚与DA转换器MAX508的数字输入引脚相连，利用DA转换器将单片机的数字信号转换为模拟信号，DA转换器输出电压模拟信号的范围为0～10V。
(13)将DA转换器的电压模拟信号输出引脚与功率三极管(达林顿管)输入引脚相连，利用功率三极管对电压信号进行功率放大。
(14)将功率三极管的输出端口与上述步骤(10)中的电极相连，从而实现通过计算机改变电极两端的电压，进而实现通过计算机改变补偿器提供的色散。
利用该可调谐色散补偿器在40Gb/s光通信系统中进行试验，测得光信号经过色散补偿后的功率代价小于0.7dB，低于通信标准中规定的1dB的功率代价上限，说明该可调谐色散补偿器具有相当好的实际性能。
综上所述，本发明可以根据系统和用户需要灵活设计出高性能的光纤光栅，而光栅的制作过程也比较简单、可靠，并且调谐装置结构简单、性能稳定，更重要的是该可调谐色散补偿器成本低廉，有着很大的使用潜力。
图1设计光栅的群时延(Group Delay)与光波波长(Wavelength)关系曲线；图2设计光栅的色散(Dispersion)与光波波长(Wavelength)关系曲线；图3制作光栅的反射率曲线；图4制作光栅的群时延曲线；图5光纤光栅制作装置示意图；图6可调谐色散补偿器的调谐装置示意图；图7可调谐色散补偿器的控制装置示意图；图8可调谐色散补偿器电极电压与提供色散量关系曲线；图940Gb/s可调谐色散补偿器制作流程图。
具体实施实例本发明的可调谐色散补偿器制作方法分为两大部分一是具有二次时延曲线和超高斯反射率曲线的取样光栅的设计，二是可调谐色散补偿器的制作。具体的实施实例结合附图详细说明如下。
一、可调谐色散补偿器使用的光纤光栅的设计对于公式(1)，取B＝2nm，λ0＝1553.5nm，m＝4；对于公式(2)，取a＝-100ps/nm2，b＝-300ps/nm，c＝900。
利用傅里叶变换，由公式(3)得出光栅的交流折射率调制函数中A(z)和(z)。
利用公式(5)得到取样光栅第k个取样点位置zk，并利用公式(6)，得到第k个取样点处的曝光时间Tk。
制作完成的光栅的反射率曲线和时延曲线分别如图3、4所示在带宽为2nm的范围内，其色散从-260ps/nm变化到-60ps/nm。
二、可调谐色散补偿器的制作本实施实例光栅制作的装置如图5所示。其中，光源采用连续的244nm倍频氩离子激光器51(美国coherent公司生产)。扫描反射镜52固定在ESP6000扫描移动平台(Newport公司生产)53上，扫描移动平台运动精度为0.1mm。反射镜52具有扫描及反射光束的功能，并将激光器51输出的紫外光反射到均匀相位模板54上，该相位模板长度为60mm，紫外光经过相位模板照射在其下经载氢处理的标准单模光纤55上。ESP6000扫描移动平台与微机的PIO口(图中未标出)相连。通过在微机上运行事先设计好的驱动软件，改变移动平台的运动状态(运动距离、运动时间等)，使其按照某一运动规律运行，就可得到需要的光纤光栅。
2、可调谐色散补偿器的制作，其特征在于它依次含有以下步骤(1)将普通光纤进行载氢处理并剥去一段涂覆层；(2)将上述光纤固定在均匀模板后，使之贴近；(3)调整激光器输出为50mW的光功率；(4)调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤纤芯上；(5)打开微机的扫描移动平台和激光器控制程序，输入设定以下参数曝光点位置和曝光时间。
(6)启动扫描平台，使其按照(5)中设定参数运行，使曝光后的光纤成为具有非线性啁啾特性的光纤光栅。
(7)将制作完成的光纤光栅放在除油碱液中，75℃下水浴加热30分钟，除油碱液由下列四种溶液按体积比1∶1∶1∶1配制而成氢氧化钠40g/L，硅酸钠40g/L，碳酸钠30g/L，磷酸钠30g/L(8)将清洗后的光纤光栅放在敏化液中浸泡10秒，然后转入活化液中浸泡10秒，再转入敏化液。如此反复4～5次，直到光纤光栅表面变为深褐色。敏化液和活化液的配制如下敏化液氯化亚锡，30g/L，20ml活化液氯化钯，0.1g/L，20ml(9)将光纤光栅放在镀镍溶液中，50℃下水浴加热2小时，使光纤光栅表面覆盖一层均匀金属镍镀层。镀镍溶液的配制如下硫酸镍30g/L，35ml焦磷酸钠90g/L，30ml次亚磷酸钠30g/L，25ml氨水40ml/L，5ml(10)将覆盖有均匀金属镀层的光纤光栅焊接到电极上并封装在金属套管中。
(11)将计算机的RS-232端口与单片机AT89C52的通信引脚相连，通过计算机控制单片机的数字信号输出，单片机输出二进制数字信号的范围为000000000000～111111111111。
(12)将单片机的数字信号输出引脚与DA转换器MAX508的数字输入引脚相连，利用DA转换器将单片机的数字信号转换为模拟信号，DA转换器输出电压模拟信号的范围为0～10V。
(13)将DA转换器的电压模拟信号输出引脚与功率三极管(达林顿管)输入引脚相连，利用功率三极管对电压信号进行功率放大。
(14)将功率三极管的输出端口与上述步骤(10)中的电极相连，从而实现通过计算机改变电极两端的电压，进而实现通过计算机改变补偿器提供的色散。其中电极电压(Voltage)与补偿器提供的色散之间的关系曲线如图8所示。
制作可调谐色散补偿器使用的调谐装置的示意图如图6所示。金属套管61由钢材料制作，其它主要部件都直接或间接固定其上。两个电极由绝缘胶固定在金属套管两端。覆盖有金属镍层63的光栅62两端焊接到电极64上，并将两段导线65由两电极64引出。两电极64间的电压由数控电压源电路66提供，数控电压源电路66通过串口线67与计算机的RS232通讯端口相连。68为光纤接头，使用时将68与光通信系统相连。
可调谐色散补偿器控制装置示意图如图7所示。计算机的RS232端口71通过串口线67与单片机72(AT89C52)的数字信号输入引脚相连；单片机72将计算机发送的串行数字电压数据转换为并行数字电压数据，由其数字信号输出引脚送入DA转换器73(MAX508)的数字信号输入引脚。DA转换器73将数字信号转换为模拟电压信号，由其模拟电压输出端口送入功率三极管74进行功率放大。功率三极管74的输出引脚通过导线65与电极64相连。
利用该可调谐色散补偿器在40Gb/s光通信系统中进行试验，测得光信号经过色散补偿后的功率代价小于0.7dB，低于通信标准中规定的1dB的功率代价上限，说明该可调谐色散补偿器具有相当好的实际性能。
综上所述，本发明可以根据系统和用户需要灵活设计出高性能的光纤光栅，而光栅的制作过程也比较简单、可靠，并且调谐装置结构简单、性能稳定，更重要的是该可调谐色散补偿器成本低廉，有着很大的使用潜力。
权利要求
1.40Gb/s光通信系统用的非线性啁啾光纤光栅制作方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤步骤1按照下述设定参数设计一个具有下述反射特性和群时延特性的取样光栅反射率曲线R(λ)=e2exp[-(λ-λ0B/2)2m],]]>群时延曲线τ(λ)＝a(λ-λ0)2+b(λ-λ0)+c，其中R(λ)为光栅的反射率，λ为光波波长，λ0为中心波长，设λ0＝1553.5nm，B为该光栅反射谱的3dB带宽，设B＝2nm，τ(λ)为该光栅的群时延，a，b，c为设计调谐参数，设a＝-100ps/nm2，b＝-300ps/nm，c＝900ps，m＝4；步骤2根据步骤1的设计参数，按以下设定参数，用计算机计算该取样光纤光栅的折射率调制函数Δn(z)Δn(z)=Ac(z)exp(-j2πzΛ0),]]>其中，z为该取样光栅沿轴向的坐标，Λ0为该取样光栅的折射率调制周期Λ0＝λ0/2n，n为该取样光纤光栅的平均折射率，函数Ac(z)为该取样光栅的交流折射率调制函数，由计算机按以下公式计算得出Ac(z)=j2nΛ0π∫0lR(λ)exp[-jθ]·exp[j2σz]dσ,]]>其中，θ=∫0λ2πλ02τ(λ′)dλ′,0≤λ′≤λ,]]>σ=2nπλ-πΛ0,]]>l为该取样光栅的长度，函数Ac(z)的复指数形式为Ac(z)＝A(z)exp[j(z)]；步骤3利用步骤2得到的折射率调制函数，按下式确定各取样点的位置zk 其中，P为采样参数，取P＝0.12mm；k表示该取样光栅的第k个取样点，k＝1，2，3，...；再按下式计算出各取样点的曝光时间TkTk=Tmax·A(zk)max{A(zk)}]]>其中，Tmax为取样点的最大曝光时间，取Tmax＝100秒；max{A(zk)}表示所有取样点zk的折射率调制幅值A(zk)中的的最大值；步骤4按以下步骤，制作所述40Gb/s光通信系统用的非线性啁啾光纤光栅步骤4.1把普通光纤进行载氢处理并剥去一段涂覆层；步骤4.2把步骤4.1中得到的光纤固定在均匀模板后，使之贴近；步骤4.3调整激光器输出为50mW的光功率；步骤4.4调整光路，使经扫描反射镜反射的光斑照射在光纤纤芯上；步骤4.5打开微机的扫描移动平台和激光器控制程序，根据步骤3的计算结果，设定输入以下参数曝光点位置 曝光时间Tk=Tmax·A(zk)max{A(zk)};]]>步骤4.6启动扫描平台，使该平台按照步骤4.5中设定参数运行，使曝光后的光纤成为具有非线性啁啾特性的光纤光栅；步骤4.7将制作完成的光纤光栅放在除油碱液中，75℃下水浴加热30分钟，除油碱液由下列四种溶液按体积比1∶1∶1∶1配制而成氢氧化钠40g/L，硅酸钠40g/L，碳酸钠30g/L，磷酸钠30g/L；步骤4.8将清洗后的光纤光栅放在敏化液中浸泡10秒，然后转入活化液中浸泡10秒，再转入敏化液，如此反复4～5次，直到光纤光栅表面变为深褐色；敏化液和活化液的配制如下敏化液氯化亚锡，30g/L，20ml；活化液氯化钯，0.1g/L，20ml；步骤4.9将光纤光栅放在镀镍溶液中，50℃下水浴加热2小时，使光纤光栅表面覆盖一层均匀金属镍镀层；镀镍溶液的配制如下硫酸镍30g/L，35ml；焦磷酸钠90g/L，30ml；次亚磷酸钠30g/L，25ml；氨水40ml/L，5ml；步骤4.10将覆盖有均匀金属镀层的光纤光栅焊接到电极上并封装在金属套管中；步骤4.11将计算机的RS-232端口与单片机AT89C52的通信引脚相连，通过计算机控制单片机的数字信号输出，单片机输出二进制数字信号的范围为000000000000～111111111111；步骤4.12将单片机的数字信号输出引脚与DA转换器MAX508的数字输入引脚相连，利用DA转换器将单片机的数字信号转换为模拟信号，DA转换器输出电压模拟信号的范围为0～10V；步骤4.13将DA转换器的电压模拟信号输出引脚与功率三极管(达林顿管)输入引脚相连，利用功率三极管对电压信号进行功率放大；步骤4.14将功率三极管的输出端口与上述步骤4.10中的电极相连，实现通过计算机来改变该取样光栅的色散。
全文摘要
本发明属于光纤光栅制作技术领域，其特征在于，依次包含以下步骤设计一个具有可调谐特性即反射率与波长呈高斯曲线变化、群时延与波长呈二次曲线变化的非线性啁啾光纤光栅；利用光栅的重构原理得到光栅的折射率调制函数，并由此确定取样点位置及曝光时间；根据设计结果制作一个用于40Gb/s光通信系统的非线性啁啾光纤光栅，再利用电流通过光纤光栅表面金属镀层产生的热效应来实现光栅中心波长的移动，控制色散的补偿量。实验证明光信号通过本发明后的功率代价小于0.7dB，低于光通信技术中规定的1dB功率代价的上限。
文档编号H04B10/02GK1811503SQ20061001141
公开日2006年8月2日 申请日期2006年3月3日 优先权日2006年3月3日
发明者孙杰, 戴一堂, 张冶金, 陈向飞, 谢世钟 申请人:清华大学